可持續建筑工藝在鋁熔煉爐建造中的應用

1前言
鋁熔煉爐是鋁加工行業的關鍵設備，耐火材料質量的好壞是影響爐窯整體質量與運行壽命的重要因素。定形耐火材料的加工是經過二次燒結的，這個過程中浪費了大量的能源（每噸約250kg標準煤），并且隨著爐窯的大型化耐火磚的強度滿足不了需求。20世紀80年代后期，隨著不定型耐火材料技術的不斷進步，低水泥、超低水泥和無水泥澆注料、抗滲透不粘鋁低水泥澆注料等一系列高技術耐火材料在我國問世，并在各種鋁熔煉爐上得到應用。由于輕質保溫澆注料與抗滲透不粘鋁低水泥澆注料性能優良，具有氣孔率低、氣孔尺寸細小、密度大、體積穩定性好、中溫強度高、用水量低、和抗滲透不粘鋁等特點，上世紀 90年代以來，迅速在鋁熔煉爐上得到了廣泛應用。然而，由于用輕質保溫澆注料筑爐時對用水量、攪拌方式、攪拌時間、膨脹縫設置等要求較高，加上砌筑體氣孔率很低，導致在烘烤過程中，水分排除非常困難。這就要求有足夠的烘爐時間（15～20天），并且烘爐曲線要制定得非常合理，需嚴格按照烘爐曲線執行，以防發生爆裂。此外，由于低水泥澆注料屬于觸變性材料，在材料的施工過程中，需要有強制振動才能使之充填致密，保證其良好的結構強度。因此，這類材料的施工勞動強度很大，如果振動不夠，會導致局部出現空洞，尤其是復雜部位，從而影響整體強度和氣密性。

針對上述問題，岳陽市安達耐火材料有限公司致力于攻克耐火材料應用的難題，提出了可持續建筑工藝在鋁熔煉爐中應用的觀點。實現爐底、墻、頂部預制件的工廠化生產，并實際應用于爐窯的建造中，效果十分理想。
2預制件
2.1澆注料筑爐的優點
2.1.1、節省能源：耐火磚需經過二次燒結（每噸約250kg標準煤），而澆注料無需二次燒結，節省大量能源。
2.1.2、提高爐襯的整體性與氣密性，減少鋁液與爐氣滲漏，且爐襯澆注料強度高于耐火磚強度，提高爐襯使用壽命。
2.1.3、耐火磚為多處貫通縫，澆注料膨脹縫采用防滲漏凹凸槽結構，減少鋁液滲漏。
2.1.4、抗滲透不粘鋁澆注料能減少爐壁粘渣與爐膛積渣，提高鋁液質量，同時減少爐襯因爐渣滲透浸蝕造成的損壞，提高爐襯使用壽命。
2.1.5、大型爐窯澆注時可實現機械化施工，降低勞動強度，提高施工效率。
2.1.6、爐膛復雜部位施工時耐火磚很難實現，而澆注料就變得簡單易行。
2.1.7、廢舊耐火材料經回收、挑選、破碎后可以作為較低級的澆注料原料，特別是輕質保溫澆注料大部分是利用再生原料，減少能源與資源消耗。
2.2預制件筑爐的優點
預制件筑爐的思路來源于遠大的可持續建筑思想，具有很多現場澆注無法比擬的優點。
2.2.1、確保分塊澆注：合理的分塊尺寸保證了合理的膨脹縫設置，避免現場澆注分塊不合理引起的澆注塊開裂現象。
2.2.2、合理的塊間防滲結構：標準化的凹凸防滲槽在保證膨脹縫的同時避免了鋁液滲漏，而現場澆注的防滲槽設置往往不到位，容易引起鋁液滲漏。
2.2.3、爐底斜坡施工難題得到解決，因為熔池抗滲透不粘鋁澆注料流動性較好，斜面澆注難以進行。
2.2.4、預制件的模具面將作為爐膛工作面，提高使用壽命，特別是爐底。
2.2.5、澆注料施工時用水量是最關鍵的工藝參數，因為耐火澆注料每增加1%的用水量，其整體質量會下降20%左右，現場施工時因攪拌設備、模具與人為因素的影響，往往很難把握，而工廠化生產時無論是設備、模具還是工藝控制，都能保證嚴格控制用水量，所以工廠化生產的預制件質量會明顯優于現場澆注。
2.2.6、現場澆注為振動棒振動，而預制件往往采用振動臺振動，振動質量明顯提高，加上攪拌設備與攪拌時間對攪拌質量的保證，可以確保預制件質量。

2.2.7、烘干工藝可以大大減少烘爐的時間，保障了爐窯安全運行。預制件制作最后一步工藝是用烘干爐對其進行烘干，烘干溫度為350℃左右，這時澆注料中的水分已經失去了60%-70%。澆注料在烘干過程中有三個主要失水階段，顯然預制件已經過前兩個階段，用預制件建造的爐窯就減少了烘爐時間，簡化了烘干工藝。
2.2.8、復合澆注預制件：爐窯建造現場使用單一成分的澆注料，不能兼顧強度與抗滲透的綜合性能，而大型熔鋁爐窯對澆注料這兩種性能要求越來越高，針對上述情況特別制作了爐墻、爐底復合澆注預制件，復合澆注是兩種完全不相同的材料澆注在一起，內側用抗滲透不粘鋁澆注料，外側用低水泥高強澆注料。因為兩側的材料不相同，要求在成型過程中不能相互混合，所以生產復合澆注預制件的震動工藝要求很高，爐窯建造現場震動無法滿足，只能在工廠生產復合預制件。復合澆注預制件綜合了抗滲透不粘鋁澆注料抗滲透與低水泥澆注料強度高的雙重優點。弱化了二者的缺點，使澆注耐火材料的質量大大提高，延長爐窯的使用壽命。
2.2.9、節省現場澆注的模具費用與裝拆模工耗，且工廠化生產時的鋼制模具可重復使用，降低模具成本。
2.2.10、工廠化生產預制件時可完全實現機械化作業，降低勞動強度與用工成本。
2.2.11、預制件包裝簡單，方便運輸，省去了現場澆注料的繁瑣、浪費的包裝。建造現場幾乎用不到模具，大大減少了施工垃圾，現場文明施工。
2.2.12、爐底、墻、頂都采用預制件，施工速度快，只需將預制件現場搭建，在拼接部位的澆注槽澆注連接，縮短施工周期減少生產成本。
2.2.13、預制件澆注料由于標準化、批量化生產，不僅保證了質量，而且降低了成本。
2.3預制件的生產工藝
2.3.1、結構與尺寸設計：充分考慮分塊膨脹縫、塊間防滲、通用性、包裝、運輸與施工；普通預制件如圖1：
2.3.2、制作模具：要有足夠的強度、尺寸精度高、表面光潔、裝拆與脫模方便；
2.3.3、澆注料取樣：預制件生產前應對澆注料取樣澆注，確定其用水量、初凝時間、烘干強度、燒結強度等。
2.3.4、干料攪拌：水泥分裝的澆注料需要有足夠的干混時，確保其成份的均勻性。
2.3.5、加水攪拌：須嚴格控制用水量與攪拌時間。
2.3.6、振動成型：將模具固定于振動臺，振動時間應適當。
2.3.7、脫模養護：預制件成型后，要經過3－5天的自然養護。
2.3.8、進爐烘干：預制件自然養護完畢要經過5－7天的烘干，烘干溫度為350℃。
2.3.9、采用木托包裝，做到防雨防潮。
3預制件的應用
預制件在爐窯行業中的應用，越來越受到重視，因為爐窯設備的特殊構造，尤其是鋁熔煉爐，爐窯體積相對鋼鐵冶金爐窯要小，結構復雜，其爐門口、火口、排煙口、加料口、進鋁口、放水口等部位的結構復雜，尺寸要求嚴格。其高溫強度要求高、同時具有耐磨、耐沖刷、整體結構性好。
新建爐窯（含大修），除底部和側部保溫材料外，爐底、爐墻、爐頂均可利用預制件一次砌筑成型。在爐內村損壞而需要局部修理的中修，無論原來是磚砌筑或預制件砌筑的，都可以采用預制件進行局部更換修理。無論是新建爐窯或爐窯的修理，其施工周期縮短50%，由于預制件是工廠化生產的，同時經過烘干，其水份得到了排除，其結構較穩定、強度較高，因而需要烘烤的時間縮短。從建造或大修到投入生產整個周期大大縮短，效率大大提高。
預制件砌筑的爐窯，整體結構性好，不會因為砌筑工藝不到位而出現烘爐時出現裂紋，使用時出現漏水的現象，因為預制件與預制件之間，采取了防滲漏措施，既起到防滲漏又是伸縮縫，因而整體性和密封性能較好，現市場上使用預制件砌筑的爐子，就證明了上述特點。
預制件砌筑的爐窯，根據需方不同產品或工藝的要求，可采用不同的材料。爐頂根據爐子的大小可采用不同型號的低水泥高強度預制件，爐底和爐墻可采用高強度澆注料和不粘鋁澆注料進行復合澆注的預制件。
預制件砌筑爐窯，幾乎可以用于所有的爐窯，包括圓形爐、方形爐，只是隨爐窯的工作溫度不同，爐窯所熔煉的金屬特性不同，爐窯的工作氣氛不同而預制件使用的材料不同而已。
隨著爐窯行業的規范化和標準化，爐窯的外形尺寸、爐襯尺寸也趨于標準化，這樣為爐窯內襯預制件的批量生產及應用，創造了較好的條件，也為用戶修理工作選擇創造了條件。
湖南巴陵爐窯節能股份有限公司承建的廣東大正鋁業有限公司60噸熔煉爐和100噸雙室再生鋁熔煉爐的爐底、爐墻、爐頂全部采用預制件，其中爐底和爐墻均采用復合澆注的預制件。兩種不同容量的爐型，都采用標準化的預制件砌筑而成。施工速度快、周期短、無材料浪費，既保證了質量又降低了成本。其節省的現場模具費與施工費就已超過預制件的工廠加工成本，幾種預制件施工現場
4.結論
澆注料預制件做為一種新型的工業爐窯材料，繼承了低水泥澆注料的優點，并且大大縮短了爐窯的施工周期與烘干時間，爐窯整體結構與氣密性良好。在熔鋁爐逐漸大型化的今天，復合澆注預制件具有抗滲透與高強度的優點完全能滿足需求。預制件的烘干工藝不僅縮短建造爐窯中的烘干時間，并且有效防止烘干過程中爆裂情況的發生。這類材料目前已在國內、外加熱爐、溶鋁爐上得到了廣泛應用，為縮短加熱爐的施工工期、提高加熱爐的作業率提供了有利的條件。